С быстрым ростом глобальной вычислительной мощности искусственного интеллекта и постоянным ростом теплового проектного энергопотребления чипов (TDP) потребность в охлаждении центров обработки данных сталкивается с беспрецедентными проблемами. В то же время все более строгие политики энергосбережения и сокращения выбросов углерода во всем мире еще больше способствовали инновациям в технологии охлаждения. В этом контексте традиционные решения воздушного охлаждения постепенно стали трудно удовлетворять двойным требованиям эффективного рассеивания тепла и энергосбережения. Технология жидкостного охлаждения быстро развивается благодаря своим превосходным характеристикам рассеивания тепла и значительным преимуществам энергосбережения, становясь основным выбором для решений охлаждения центров обработки данных. Как основное оборудование для обработки и хранения данных, производительность и стабильность сервера напрямую связаны с эффективностью работы всей системы. Основные компоненты сервера, включая материнскую плату, ЦП, память, жесткий диск и видеокарту, будут генерировать много тепла при непрерывной работе с высокой нагрузкой. Если тепло не будет рассеиваться своевременно и эффективно, это серьезно повлияет на производительность и срок службы сервера. С этой целью в решениях по охлаждению серверов были внедрены усовершенствованные системы жидкостного охлаждения, которые устанавливаются непосредственно на основных источниках тепла, таких как процессоры и видеокарты, что позволяет значительно повысить эффективность рассеивания тепла.

Часть 1: Структура и принцип работы водоблока

Одним из основных компонентов системы жидкостного охлаждения является водоблок, который обычно изготавливается из медных или алюминиевых материалов с высокой теплопроводностью и спроектирован с точными водными каналами и структурами теплоотвода. Эти водоблоки плотно прилегают к поверхности источников тепла, таких как ЦП и ГП, и быстро поглощают и передают тепло через циркулирующую внутри охлаждающую воду. Затем тепло передается к теплоотводу, который затем циркулирует через систему водяного охлаждения и в конечном итоге рассеивается в окружающем воздухе.

Рисунок 1: Тенденции потребления тепловой мощности чипами основных производителей чипов

1- Распространенные типы и характеристики водоблоков

l Микроканальный водоблок

Особенности: Микроканальный водоблок имеет точную конструкцию микроводяного канала. Структура водяного канала тонкая и сложная, что может значительно увеличить площадь контакта между охлаждающей жидкостью и тепловыделяющими компонентами, тем самым значительно повышая эффективность рассеивания тепла. Конструкция микроводяного канала также может создавать сильный эффект турбулентности во время потока охлаждающей жидкости, дополнительно повышая коэффициент конвекционной теплопередачи и достигая эффективной теплопередачи.

Сценарии применения: Он особенно подходит для ЦП и ГП с высоким тепловыделением, особенно в высокопроизводительных вычислениях, разгоне и центрах обработки данных, которые предъявляют чрезвычайно высокие требования к рассеиванию тепла.

l Блок водяного охлаждения с большим потоком

Особенности: Внутренняя структура водоблока с большим потоком относительно проста, обычно с использованием медной пластины или конструкции с протравленной канавкой, а стоимость производства низкая. Его основное преимущество заключается в том, что он использует высокоскоростной поток воды для быстрого отвода тепла и подходит для использования с системой водяного охлаждения с большим потоком. Несмотря на простоту конструкции, его эффективная способность рассеивания тепла делает его очень экономичным выбором.

Сценарий применения: Подходит для сценариев с определенными требованиями к эффективности рассеивания тепла, но ограниченным бюджетом, например, для средних и высокопроизводительных компьютерных систем DIY или небольших и средних серверных кластеров.

l Водоблок инжекционного типа

Особенности: Струйный блок водяного охлаждения распыляет охлаждающую жидкость из узкого сопла на нижнюю пластину с микроканалами на высокой скорости через направляющую пластину, создавая сильный эффект турбулентности и значительно повышая эффективность рассеивания тепла. Такая конструкция не только увеличивает площадь контакта между охлаждающей жидкостью и основанием, но и дополнительно оптимизирует производительность теплообмена за счет высокоскоростного потока.

Сценарии применения: Подходит для высокопроизводительных ЦП и ГП, особенно в условиях высоких требований к рассеиванию тепла и сценариев с высоким потоком, таких как разгонные вычисления, обучение искусственного интеллекта и рендеринг графики.

2-Общая структура водоблока

Водоблок — это металлический блок с каналами для воды внутри, обычно из меди или алюминия. Он не контактирует с процессором, видеокартой или другими устройствами, генерирующими тепло. Его структурная конструкция напрямую определяет качество рассеивания тепла. Типичный водоблок обычно состоит из следующих основных частей:

l Основание обычно изготавливается из материалов с высокой теплопроводностью, таких как медь или алюминиевый сплав, а поверхность подвергается тонкой обработке для обеспечения тесного контакта с тепловыделяющими компонентами. Основание оснащено сложной конструкцией проточного канала для увеличения площади контакта между охлаждающей жидкостью и основанием.

l Крышка вместе с основанием образуют уплотнительную полость проточного канала, которая защищает проточный канал, уплотнение и другие компоненты внутри водоблока от пыли, загрязнений и внешних физических повреждений.

l Вход и выход воды являются интерфейсами для входа и выхода охлаждающей жидкости из головки водяного охлаждения. Они, как правило, проектируются сбоку или сверху головки водяного охлаждения, чтобы обеспечить плавный вход и выход охлаждающей жидкости. Конструкция положения должна учитывать путь потока жидкости, чтобы уменьшить сопротивление потоку и увеличить скорость потока охлаждающей жидкости.

l Зажимы используются для надежного крепления головки водяного охлаждения к процессору или другим тепловыделяющим компонентам, обеспечивая надежное основание и эффективную теплопроводность.

Рисунок 2: Типичная структура водоблока

3- Комплексная оптимизация характеристик отвода тепла

l Оптимизация конструкции проточного канала

Увеличьте площадь контакта канала потока: проектируя более узкие и плотные каналы потока, площадь контакта между охлаждающей жидкостью и основанием может быть значительно увеличена, тем самым улучшая коэффициент конвективной теплопередачи. Например, конструкция микроканала имеет тонкую структуру водяного канала. Параметры конструкции микроканального водяного блока (такие как ширина канала, высота и расстояние) оказывают решающее влияние на эффективность рассеивания тепла: по мере уменьшения ширины канала коэффициент теплопередачи значительно увеличивается благодаря усиленному эффекту турбулентности потока охлаждающей жидкости в узком канале, тем самым улучшая эффективность теплообмена; большая высота канала помогает увеличить пространство потока охлаждающей жидкости, тем самым улучшая производительность теплопередачи; меньшее расстояние между каналами может увеличить площадь контакта между охлаждающей жидкостью и источником тепла, тем самым улучшая эффективность рассеивания тепла.

Его также можно оптимизировать, оптимизировав схему расположения каналов потока и уменьшив изгибы каналов потока: разумная схема расположения каналов потока может гарантировать, что охлаждающая жидкость равномерно покроет поверхность теплогенерирующих компонентов и уменьшит локальную разницу температур. Изгибы в канале потока увеличат потерю напора и внутреннее сопротивление потоку, тем самым снизив эффективность охлаждения. Количество изгибов должно быть минимизировано в конструкции. Если этого невозможно избежать, изгибы должны быть спроектированы как плавные переходы, чтобы уменьшить падение давления и оптимизировать производительность потока.

l Материалы с высокой теплопроводностью: основание водоблока обычно изготавливается из материалов с высокой теплопроводностью, таких как чистая медь или алюминиевый сплав. Эти материалы могут эффективно передавать тепло от источника тепла к охлаждающей жидкости, тем самым улучшая общую производительность рассеивания тепла.

l Оптимизация структурных параметров, таких как толщина базовой подложки, ребра, структура спойлера и т. д. Увеличение толщины подложки приведет к увеличению максимальной температуры, поэтому при проектировании необходимо найти наилучший баланс между эффектом рассеивания тепла и прочностью конструкции; увеличивая высоту, толщину и расстояние между ребрами, можно улучшить эффективность рассеивания тепла, но в то же время сопротивление потоку также увеличится. Найдите наилучшую комбинацию конструкции ребер, чтобы максимизировать эффективность рассеивания тепла. Форма колонны спойлера может эффективно усилить эффект турбулентности и повысить эффективность теплообмена.

Мы будем регулярно обновлять технологии и информацию о тепловых проектах и оптимизации, и делиться этой информацией с вами для справки. Благодарим вас за интерес к компании Walmate.